一种方形平行流道和点阵流场相结合的流场结构的制作方法

本发明属于电化学，具体是一种方形平行流道和点阵流场相结合的流场结构。

背景技术：

1、氢气是一种清洁能源和可再生能源，具有140mj/kg的高能量密度、无碳排放和来源十分广泛的优势，在从传统化石燃料向可再生清洁能源过渡的能源脱碳过程中发挥着重要作用，作为二次能源，氢气可以通过煤气化、甲醇重整、电解水和光催化分解水等方法生产，在电解水制氢领域，质子交换膜电解槽(pemec)技术具有无碳排放、高电流密度、低气体交叉率、高压操作、结构紧凑、生产纯度高以及易于操作和维护的优点，在与间歇性可再生能源集成生产氢气方面，具极大的优势。

2、在pemec中，双极板传导电子并提供机械支撑，双极板的表面具有流场结构，流场结构提供反应物和产物的传输通道，其结构和布置形式显著影响电解槽的性能，因此，在质子交换膜电解槽中，流场结构起到了至关重要的作用，一旦流场结构不合理，就会产生以下问题：第一、反应物分布不均匀，使催化剂活性区域的利用不足，产生的气体不能有效去除；第二、温度分布不均匀，产生热应力，加速了质子交换膜的降解；这些都关系着质子交换膜电解槽的长期、高效和稳定运行以及电解池的使用寿命，可见，合理的流场结构对于质子交换膜电解槽来说，至关重要。

3、传统的流场主要包括蛇形流场、叉指流场和平行流场，但是，它们都存在一些不足，其中：对于平行流场，各通道流速分布不均、压差较小，导致反应物的流动性较差，浓度分布不均匀；对于叉指流场，存在压降损失较大的问题；对于蛇形流场，反应物流动过程中，会在弯道处产生气液堆积，具有较高的压降。可见，传统流场在减缓气液两相流带来的负面影响、保证反应物浓度分布均匀性等方面具有一定的局限性。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种方形平行流道和点阵流场相结合的流场结构，能够使反应物、温度和电流密度分布更加均匀。

2、为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

3、一种方形平行流道和点阵流场相结合的流场结构，包括均匀分布于正方形流场板本体表面的四个关于其几何中心对称的平行流道以及四个关于其几何中心对称的点阵流场，平行流道和点阵流场间隔分布，平行流道与点阵流场的流道相连通；

4、所述流场板本体的四条边开设有反应物入口或产物出口，反应物入口和产物出口均与平行流道和点阵流场连通。

5、进一步地，所述平行流道为等腰直角三角形，其由若干条相互平行的直线流道构成。

6、进一步地，所述直线流道的宽度为1mm，且相邻两条直线流道之间的间距为1mm。

7、进一步地，所述点阵流场为等腰直角三角形，其由若干个呈现阵列分布的截面为菱形、圆形、长方形、正方形或三角形的凸块形成。

8、进一步地，所述点阵流场中的凸块呈现交叉式排布或顺排排布。

9、进一步地，所述反应物入口和产物出口间隔分布。

10、进一步地，所述反应物入口或产物出口开设在流场板本体的边上靠近顶点的位置。

11、进一步地，所述流场板本体由石墨、不锈钢或泡沫金属制成。

12、本发明与现有技术相比，具有如下技术效果：

13、本发明采用平行流道和点阵流场相结合的形式，一则，平行流道较低的压降水平降低了流场总体压降，促使反应物液体以较快的流速进入流道，在电极处发生电化学反应，降低了电解槽的功泵损耗；二则，点阵流场不仅增加了液体扰流与传质过程，而且起到分散气泡的作用，促进了生成气体的有效排出，防止气体堵塞，使流道内温度、反应液浓度和电流密度分布更均匀，提高了电解槽的效率；可见，本发明的平行流道和点阵流场相结合的流场实现了降低压降水平和提升反应物传质水平的有效平衡，因此，其既适用于质子交换膜电解槽，也适用于燃料电池和液流电池等电化学装置，具有较为广泛的适用性。

14、本发明将反应物入口和产物出口间隔分布，且靠近流场本体的顶点设置，使任意一个反应物入口均位于两个产物出口之间，缩短了反应物入口到产物出口间的流程，从而缩短了反应物的流动路径，降低了反应物入口和产物出口的压差，使反应物从位置相对的反应物入口进入流道，且产物能够以较快的速度从位置相对的两个产物出口流出，进一步提高了流道内温度、反应液浓度和电流密度分布的均匀性，提升了对应电化学装置的能量转换效率。

技术特征：

1.一种方形平行流道和点阵流场相结合的流场结构，其特征在于，包括均匀分布于正方形流场板本体(1)表面的四个关于其几何中心对称的平行流道(2)以及四个关于其几何中心对称的点阵流场(3)，平行流道(2)和点阵流场(3)间隔分布，平行流道(2)与点阵流场(3)的流道相连通；

2.根据权利要求1所述的方形平行流道和点阵流场相结合的流场结构，其特征在于，所述平行流道(2)为等腰直角三角形，其由若干条相互平行的直线流道构成。

3.根据权利要求2所述的方形平行流道和点阵流场相结合的流场结构，其特征在于，所述直线流道的宽度为1mm，且相邻两条直线流道之间的间距为1mm。

4.根据权利要求1或2所述的方形平行流道和点阵流场相结合的流场结构，其特征在于，所述点阵流场(3)为等腰直角三角形，其由若干个呈现阵列分布的截面为菱形、圆形、长方形、正方形或三角形的凸块形成。

5.根据权利要求4所述的方形平行流道和点阵流场相结合的流场结构，其特征在于，所述点阵流场(3)中的凸块呈现交叉式排布或顺排排布。

6.根据权利要求1或2所述的方形平行流道和点阵流场相结合的流场结构，其特征在于，所述反应物入口(4)和产物出口(5)间隔分布。

7.根据权利要求1或2所述的方形平行流道和点阵流场相结合的流场结构，其特征在于，所述反应物入口(4)或产物出口(5)开设在流场板本体(1)的边上靠近顶点的位置。

8.根据权利要求1或2所述的方形平行流道和点阵流场相结合的流场结构，其特征在于，所述流场板本体(1)由石墨、不锈钢或泡沫金属制成。

技术总结本发明公开了一种方形平行流道和点阵流场相结合的流场结构，包括均匀分布于正方形流场板本体表面的四个关于其几何中心对称的平行流道以及四个关于其几何中心对称的点阵流场，平行流道和点阵流场间隔分布，平行流道与点阵流场的流道相连通；所述流场板本体的四条边开设有反应物入口或产物出口，反应物入口和产物出口均与平行流道和点阵流场连通。本发明的流场中反应物、温度和电流密度分布更加均匀，提升了质子交换膜电解槽的能量转换效率和使用寿命。技术研发人员：李印实,刘伟团,郎文平受保护的技术使用者：陕西清能动力科技有限公司技术研发日：技术公布日：2024/5/12